KR20220049350A - 스마트 에너지 융합 솔루션 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부하 모델 기반의 전압 및 무효전력 최적화 제어를 통한 보존 전압 감소를 위한 수전계통 제어 방법 및 장치, 이를 포함하는 수전계통의 보존 전압 감소 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수전계통의 전압을 통합 제어함으로써 소비전력 절감을 구현하기 위한 수전계통 제어 방법 및 장치, 이를 포함하는 수전계통의 보존 전압 감소 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 분산형 발전 설비의 발전 효율 향상 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분산형 발전 설비의 발전 전력을 송배전측으로 연계 공급 시 연계 용량에 따른 허용 전압 범위내에서 승압이 이루어지게 함으로써 발전 효율을 향상시키는 분산형 발전 설비의 발전 효율 향상 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

스마트 에너지 융합 솔루션 시스템{SMART ENERGY CONVERGENCE SOLUTION SYSTEM}

본 발명은 부하 모델 기반의 전압 및 무효전력 최적화 제어를 통한 보존 전압 감소를 위한 수전계통 제어 방법 및 장치, 이를 포함하는 수전계통의 보존 전압 감소 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수전계통의 전압을 통합 제어함으로써 소비전력 절감을 구현하기 위한 수전계통 제어 방법 및 장치, 이를 포함하는 수전계통의 보존 전압 감소 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 분산형 발전 설비의 발전 효율 향상 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분산형 발전 설비의 발전 전력을 송배전측으로 연계 공급 시 연계 용량에 따른 허용 전압 범위내에서 승압이 이루어지게 함으로써 발전 효율을 향상시키는 분산형 발전 설비의 발전 효율 향상 장치 및 방법에 관한 것이다.

전기는 일반적으로 전자-기계적 발전기로 발전소에서 생성되며, 발전기는 전형적으로 화학적 연소 또는 핵분열에 의해 연료를 공급 받는 열기관으로 구동되거나, 물 또는 바람의 흐름으로부터 얻어지는 운동 에너지로 구동될 수 있다.

전력계통에서는 무수히 많은 전력 설비가 연계되는데, 전력설비 각각의 지속적인 부하 변화에 대응하면서 보존 전압 감소(CVR) 제어를 실현하는 데에 어려움이 있어 전력계통 운용의 안정성이 떨어진다는 문제점이 있다.

일반적으로, 전력계통망에 연계되는 모든 발전설비는 전력계통의 운용 안정성을 저해하지 않으면서 연계되어야 하며, 이에 대한 기술적 요건은 국가마다 상이하기는 하지만 통상 그리드 코드(GRID CODE)나 송배전 사업자측에 명시된다.

따라서 새로운 발전설비를 전력계통망에 연계하고자 할 때 전력계통망의 안정성 및 신뢰성을 위협하지 않으면서 부하에 연계 가능하도록 새로운 발전설비에 대하여 설계할 필요성이 있다.

최근에는 대규모 집중형 전원과는 달리 전력 소비 지역 부근에 소규모로 분산하여 배치되는 발전 전원으로서 분산형 전원(DER: Distributed Energy Resource)이 공급되고 있으며, 분산형 전원에도 연계 용량을 고려한 설계가 필요하다.

대표적으로 분산형 전원은 직류 수용가의 등장과 함께 직류전원의 직접적인 공급에 대한 요구가 증대됨에 따라 직류전원을 직접 수용가에 공급할 수 있는 직류배전을 중심으로 개발되고 있다.

이러한 분산형 전원의 활용성을 높이기 위해 배전 계통에 신에너지나 재생에너지 및 자가용 발전설비를 이용하고 있으며, 재생 에너지는 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물 및 지열 등이 있으며, 이들을 이용한 분산 발전기나 발전 모듈 등이 송배전 계통과 연계되도록 분산 발전 설비의 용량을 산정하고 있다.

종래의 분산 발전 설비는 송배전 계통에서 정해놓은 운용전압에 따라 소내 전압을 결정하고, 결정에 따라 고정된 전압으로 송배전 계통에 송출하므로 분산 발전 용량을 높이지 못하여 발전 효율이 낮다는 문제가 있다.

본 발명의 일측면은 수전계통의 각 노드에서 수집하는 전력 데이터를 이용하여 수전계통의 부하 모델을 실시간으로 생성하고, 부하 모델에 기반하여 수전계통의 전압을 통합 제어함으로써 수전계통의 보존 전압 감소를 도모하는 부하 모델 기반의 전압 및 무효전력 최적화 제어를 통한 보존 전압 감소를 위한 수전계통 제어 방법 및 장치, 이를 포함하는 수전계통의 보존 전압 감소 시스템을 제공한다.

또한, 분산형 발전 설비의 발전 전력을 송배전측으로 연계 공급시 연계 용량에 따른 허용 전압 범위내에서 승압이 이루어지게 함으로써 발전 효율을 향상시키는 분산형 발전 설비의 발전효율 향상 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

전력계통의 전력 상태를 제어하기 위한 전력계통 제어시스템으로서, 상기 전력계통 상에 배치되고 측정 데이터를 출력하는 복수의 센서장치, 상기 전력계통 중 수전계통의 전압을 제어하는 적어도 하나의 수전계통 제어장치, 복수의 분산형 발전설비의 승압전압을 제어하는 적어도 하나의 분산형 발전설비 제어장치, 상기 적어도 하나의 수전계통제어장치 및 분산형 발전설비 제어장치와 통신하여 수전설비와 분산형 발전설비의 전압을 제어하는 SCADA를 포함하되,상기 SCADA는 상기 복수의 센서장치로부터 취득되는 측정 데이터를 이용하여 상기 수전계통과 분산형 발전설비의 부하모델을 실시간으로 설정하고, 상기 설정된 부하모델을 이용하여 수전설비 및 분산형 발전설비가 접속되는 노드의 전압을 산출하며, 상기 수전계통 제어장치 및 분산형 발전설비 제어장치로 하여금 전압을 제어하도록 제어 변수값을 산출하여 이를 상기 수전계통 제어장치 및 분산형 발전설비 제어장치로 각각 송신하며,상기 기 수전계통 제어장치 및 분산형 발전설비 제어장치는 상기 SCADA 로부터 수신받은 상기 제어변수값에 따라 상기 수전계통과 분산형 발전설비의 전압을 제어하되, 상기 SCADA 와 통신이 두절될 경우, 직전의 수전계통과 분산형 발전설비의 부하모델에 따라 전압을 제어하기 위한 제어변수값을 산출하고, 상기 SCADA 와 통신이 두절된 이후 소정시간이 경과되면, 상기 직전의 부하모델을 폐기하고 기 설정된 제어방식에 따라 전압을 제어하는 전력계통 제어 시스템.

이상과 같은 본 발명은 분산형 발전 설비의 발전 전력을 송배전측으로 연계 공급시 연계 용량에 따른 허용 전압 범위내에서 소내 송출 전압을 이전보다 승압되도록 제어한다.

따라서, 수시로 급변하는 발전 계통의 전압에 대응하여 분산형 발전전원의 최종 발전 출력량을 증대시켜 발전 측면에서 발전 효율이 향상되고, 경제성을 향상시키며, 계통의 전압 강하를 방지하여 전력 공급 신뢰성을 높인다.

또한, 본 발명에 따르면 수전계통의 실시간 부하 모델에 기반하여 전압 및 무효전력 최적화 제어를 실행함으로써, 전압 제어의 정확성을 향상시킬 수 있다.

나아가, 수요자의 소비전력량 감소에 따른 전력 사용 비용 절감의 효과를 달성할 수 있다.

도 1은 수전계통 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 분산형 발전 설비를 보여주는 도면이다.
도3은 전력계통을 보여주는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수전계통의 보존 전압 감소 시스템은 수전설비(11) 및 수전계통제어 장치(100)를 포함할 수 있다.

수전설비(11)는 전력계통(1)으로부터 공급 되는 전기를 수용가의 건축물 안으로 받아들이는 설비로, 하나의 수용가에 하나의 수전설비(11)가 설치되는 것이 일반적이다. 일예로 수전설비(11)는 수전전압을 수용가의 건출물에서 필요한 전압으로 바꾸는 변전설비 등을 포함할 수 있다.

수전설비(11)는 전압 제어 장치(20)가 구비될 수 있다. 전압 제어 장치(20)는 수전계통(10)의 전압 제어 또는 무효전력 제어를 위해 마련되는 장치로, 온-로드 탭 체인저(OLTC; On-Load Tap Changer), 에스브이알(SVR;Step Voltage Regulator), 브이알(Voltage Regulator), 인버터(Inverter) 및 션트(전력용) 컨덴서(SC; Shunt Condenser) 등에 해당한다. 예를 들면, 온-로드 탭 체인저의 조절을 통해 전력선로의 전압을 올리거나 낮출 수 있고, 컨덴서의 조상설비에 대한 투입이나 개방 명령을 통해 무효전력 제어가 가능하다.

본 실시예에서 수전설비(11)는 풍력발전, 태양광발전, 비상/상용 발전기 및 연료전지 중 적어도 하나 이상으로 구성되는 분산전원을 포함할 수도 있다.

수전계통 제어 장치(100)는 수전계통(10) 전압의 통합 제어장치일 수 있으며, 수전계통(10)의 실시간 부하 모델을 생성하고, 수전계통(10)의 실시간 부하 모델에 기반한 수전계통(10)의 전압 및 무효전력 최적화 제어를 위해 전압 제어 장치(20)를 제어할 수 있다. 이를 통해 수전계통 제어 장치(100)는 수전계통(10)의 보존 전압 감소를 구현하여 수요자의 소비전력량 감소에 따른 전력 사용 비용 절감의 효과를 달성할 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수전계통 제어 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 수전계통(10)의 일 구성으로 포함되거나 수전계통(10)과 연계되는 별도의 장치로 구성되어 수전계통(10)의 각종 측정 정보를 수신하고, 전압제어 장치(20)를 원격으로 제어할 수 있도록 마련될 수 있다.

도 2과 같이, 본 발명은 분산형 발전 설비(10)에서 발전된 전력을 송배전측에 공급하는 것으로, 분산형 발전 설비(10)가 송배전측의 전력계통망에 연계되도록 소내(power station)의 제어 노드(20)에 의해 송전 전압이 조정된다.

여기서 분산형 발전 설비(10)는 소규모로 전력 소비 지역 부근에 분산하여 배치가 가능한 발전기나 발전모듈 등을 포함한 발전원으로서 흔히 발전기라하며 분산형 전원(DER: Distributed Energy Resource)을 공급한다.

분산형 발전 설비(10)로는 실시예로 신에너지, 재생 에너지 및 자가용 발전설비 등이 있다. 이때 신에너지에는 연료전지, 석탄액화가스화, 중질잔사유 가스화 및 수소 에너지 등이 있고, 재생 에너지에는 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물 및 지열 등이 있다.

송배전측은 대규모 및 소규모의 수용가나 공장 등의 전력 부하에 전력을 공급하는 전력 계통으로, 국가별로 송배전측을 관리하는 주최는 다를 수 있으며 보통은 공공기관이나 전력 사업체(예: 한국전력)에서 설치 및 관리된다.

제어 노드(20)는 분산형 발전 설비(10)에서 발전된 전력을 송배전측에 공급하도록 제어하는 것으로, 제어 노드(20)에는 연계 용량에 적합하도록 전압을 조절하는 소내 변압기(21)를 포함한다. 또한 인버터(22) 및 캐패시터(23)를 더 포함할 수있다.

실시예로써 분산형 발전 설비(10)의 출력단에는 인버터(22)가 설치되어 전압은 물론 주파수를 조절하고, 캐패시커는 인버터(22)의 출력단에서 전압을 조절하여 송출 전압을 안정화한다.

소내 변압기(21)는 최종적으로 변압을 한다. 이러한 소내 변압기(21)는 통상 변전소 안의 부하에 전력을 공급하기 위한 변압기로 모선에 직접 접속되는 것을 의미하기도 하지만 본 발명에서는 송배전측으로 송전을 위한 변압기를 의미한다.

이러한 계통에서 분산형 발전 설비(10)는 태양광 PV(Photovoltaic)패널과 같이 다수개의 발전원으로 구성될 수 있으며, 소내 변압기(21)나 인버터(22)는 분산형 발전 설비(10)의 출력단에 각각 구비되거나 다수의 분산형 발전 설비(10)에 공통 연결될 수 있다. 이는 캐패시터(23) 역시 마찬가지이다.

이와 같은 분산형 발전 설비(10)는 소내 변압기(21), 인버터(22) 및 캐패시터(23)를 포함하는 제어 노드(20)를 통해 전력 계통망(송배전측)에 연계되는 분산형 발전 시스템을 구성하고, 송배전측 전력계통의 운용 안정성을 저해하지 않도록 연계가 이루어진다.

또한, 분산형 발전 설비(10)를 전력 계통망에 연계시 전력계통망의 안정성 및 신뢰성을 위협하지 않으면서 연계가 이루어지도록 상술한 분산형 발전설비(10) 및 그를 위한 제어 노드(20)의 계통 설계가 이루어진다.

한편, 본 발명에 따른 분산형 발전 설비의 발전 효율 향상 장치(100)는 탭

절환기(110), 자동전압조정기(120), 기준값 메모리(130) 및 송출 제어기(140)를 포함하며, 이들 구성 요소는 상술한 분산형 발전 시스템의 분산형 발전설비(10) 및 그를 위한 제어 노드(20)와 연동된다.

이때, 탭 절환기(110)는 제어 노드(20)의 하나인 소내 변압기(21)를 조절하고, 자동전압조정기(120)는 탭 절환기(110)를 제어한다. 기준값 메모리(130)는 송배전측의 허용 전압 범위를 기록하며, 송출 제어기(140)는 상기 허용 전압범위 내에서 소내 변압기(21)를 그 변압 전보다 승압되도록 강제한다.

이와 같이 본 발명은 분산형 발전 설비(10)의 발전 전력을 송배전측

으로 연계 공급시 연계 용량에 따른 허용 전압 범위내에서 소내 송출 전압을 이전

보다 승압되도록 제어한다.

소내 전압의 승압 제어는 본 발명에서 감시를 통한 판단 시점, 분산형 발전 설비(10)의 발전량 감소로 인해 전압 강하 시점 및 부하량 증가로 인한 전

강하시 등의 경우에 진행하며, 승압은 허용 전압 범위 이내에서 이루어진다.

따라서, 수시로 급변하는 발전 계통의 전압에 대응하여 분산형 발전전원의 최종 발전 출력량을 증대시켜 발전 측면에서 발전 효율이 향상되고, 경제성을 향상시키며, 계통의 전압 강하를 방지하여 전력 공급 신뢰성을 높인다.

구체적으로, 상기 탭 절환기(110)는 분산형 발전 설비(10)에서 송배전측으로 전력을 공급하는 소내 변압기(21)(station transformer)를 제어한다. 소내 변압기(21)는 제어 노드(20)의 하나로 보통은 송출측 종단부에 구비된다.

탭 절환기(110)는 발전 전력을 공급중인 소내 변압기(21)를 제어하도록 부하시 탭 절환기(110)(OLTC: On Load Tap Changer)를 적용한다. 부하시 탭절환기(110)는 전력을 공급중인 상태에서 탭 위치를 변화시켜 소내 변압기(21)의 권선비를 절환시킨다.

특히, 본 발명에 적용되는 부하시 탭 절환기(110)는 소내 변압기(21)의 2차측에 연결되고, 탭 절환에 의해 소내 변압기(21)의 2차측 권선수를 증가시켜 소내 변압기(21)에서 승압이 이루어지게 한다. 즉, 직전 변압 상태보다 승압되도록 강제한다.

종래의 OLTC는 변압기 1차 측에 설치된 상태에서 탭 절환을 함으로 써 수용가 공급을 위한 감압이 이루어지도록 하는 것이 보통인 것에 비해, 본 발명에서는 OLTC의 2차측에 설치되어 2차측 권선수(권선비)를 증가시키는 것이다.

또한, 일반적인 경우에는 CVR(Conservation Voltage Reduction)을 이용하여 전압 및 무효전력의 최적화 제어를 통해 전력 계통을 구성하는 각 노드의 압 크기를 허용 전압 범위 이내에서 최적 하한으로 유지시켜 에너지를 절감함에 반해, 본 발명은 그 반대로 승압이 이루어지게 하여 발전 효율 등을 향상시킨다.

자동전압조정기(120)는 탭 절환기(110)로 탭 절환 제어신호를 제공(전송)하는 것으로, 본 발명에서는 분산 발전 설비에서 발전된 전력을 송배전측으로 송출되는 전압 조정을 목적으로 탭 절환기(110)를 제어한다.

이러한 자동전압조정기(120)는 후술하는 기준값 메모리(130)에 저장된 허용 전압 범위 이내에서 승압이 이루어지도록 부하시 탭 절환기(110)를 제어하는 AVR(Automatic Voltage Regulator)인 것이 바람직하다.

실시예로 태양광 발전소, 풍력 발전소 및 연료 전지 등과 같은 분산형 전원의 연계 용량이 500kW급을 초과하는 분산형 발전 설비(10)의 경우, 송배전측에서 규정하는 배전계통 연계기술 기준에 따라 229kV 특별 고압으로 연계를 해야 한다.

분산형 발전 설비(10)의 최종 발전 전압은 대략 380V ~6,600V 수준이므로, 이를 송배전측에서 규정하는 229kV 특별 고압으로 연계되도록 내 변압기(21)에 의해 승압할 필요가 있다.

이때, 송배전측에서 규정하고 있는 바와 같이 계통 연계시 229kV를 기준으로 3% ~ 5%의 여유분을 인정하므로, 결국 자동전압조정기(120)는 229kV±3% ~ 5%의 허용 전압 범위 이내에서 송배전측으로 발전 전원을 송출할 수 있다.

기준값 메모리(130)는 분산형 발전 설비(10)에서 송배전측으로 공급 가능한 허용 전압 범위를 기록하는 것으로, 위에서 설명한 바와 같이 계통 연계시 규정된 허용 전압을 범위를 기록한다.

여기서는 대한민국에서 송배전측 계통을 관리하는 전력 사업자인 한국전력™을 예로 들어 설명하므로, 발전 전원을 229kV±3% ~ 5%의 전압 범위 이내에서 송출하며, 그에 따른 허용 전압 범위를 제공한다.

다만, 계통 연계를 위한 승압은 국가별 혹은 지역별로 상이할 수 있으며, 또한 송배전측 연계 용량이나 분산형 발전 설비(10)에 따른 연계 용량에 따라서도 다를 수 있으므로 기준값 메모리(130)에는 그에 따른 허용 전압 범위를 기록한다.

송출 제어기(140)는 분산 발전 설비의 발전량에 따라 셋트 포인트(set point) 제어신호를 자동전압조정기(120)에 제공하는데, 셋트 포인트 제어신호에는 허용 전압 범위 이내에서 소내 변압기(21)를 승압시키는 명령이 포함되어 있다.

송출 제어기(140)에 의해 제어되는 셋트 포인트 제어신호는 발전 전원과 송배전측의 연계를 위한 승압에 이용되지만, 본 발명에서는 이미 허용 범위이내에 있는 송전 전압을 이전 보다 더욱 높이는 승압을 목적으로 한다.

허용 범위 이내에 있는 발전 전원을 이전보다 더욱 높임에 따라 허용 범위 이내에서 강제로 승압이 이루어지도록 함으로써, 부하에 따른 전압 강하를 방지하고 최대 출력량을 제공하게 하여 최대 효율의 발전량을 제공하게 한다.

이러한 이유로 송출 제어기(140)는 분산형 발전 설비(10)에서 송배전측으로 출력되는 전압이 계통 연계에 따라 규정된 최대값이 되도록 승압시키는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

Claims (1)

1. 전력계통의 전력 상태를 제어하기 위한 전력계통 제어시스템으로서,
   상기 전력계통 상에 배치되고 측정 데이터를 출력하는 복수의 센서장치;
   상기 전력계통 중 수전계통의 전압을 제어하는 적어도 하나의 수전계통 제어장치;
   복수의 분산형 발전설비의 승압전압을 제어하는 적어도 하나의 분산형 발전설비 제어장치;
   상기 적어도 하나의 수전계통제어장치 및 분산형 발전설비 제어장치와 통신하여 수전설비와 분산형 발전설비의 전압을 제어하는 SCADA;를 포함하되,
   상기 SCADA는 상기 복수의 센서장치로부터 취득되는 측정 데이터를 이용하여 상기 수전계통과 분산형 발전설비의 부하모델을 실시간으로 설정하고, 상기 설정된 부하모델을 이용하여 수전설비 및 분산형 발전설비가 접속되는 노드의 전압을 산출하며, 상기 수전계통 제어장치 및 분산형 발전설비 제어장치로 하여금 전압을 제어하도록 제어 변수값을 산출하여 이를 상기 수전계통 제어장치 및 분산형 발전설비 제어장치로 각각 송신하며,
   상기 기 수전계통 제어장치 및 분산형 발전설비 제어장치는 상기 SCADA 로부터 수신받은 상기 제어변수값에 따라 상기 수전계통과 분산형 발전설비의 전압을 제어하되,
   상기 SCADA 와 통신이 두절될 경우, 직전의 수전계통과 분산형 발전설비의 부하모델에 따라 전압을 제어하기 위한 제어변수값을 산출하고,
   상기 SCADA 와 통신이 두절된 이후 소정시간이 경과되면, 상기 직전의 부하모델을 폐기하고 기 설정된 제어방식에 따라 전압을 제어하는 전력계통 제어 시스템.
   

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